一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置，包括：測(cè)力彈性體、連接筒、雙目攝像頭和圖像識(shí)別處理器；所述測(cè)力彈性體位于連接筒的一端，所述測(cè)力彈性體在未受力時(shí)呈半球狀；所述雙目攝像頭固定于連接筒的另一端；所述圖像識(shí)別處理器用于實(shí)時(shí)接收并處理雙目攝像頭所攝取的圖像，并得出外力的大小和方向。本實(shí)用新型引入圖像處理的新穎方式，使用簡(jiǎn)單的原理實(shí)現(xiàn)了力測(cè)量裝置的簡(jiǎn)單化、低成本化，具有良好的抗干擾性、環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種力測(cè)量技術(shù)，特別涉及一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，力測(cè)量裝置的工作原理基本上有兩種。一種是測(cè)量某些物質(zhì)受力作用時(shí)其 固有物理性質(zhì)發(fā)生的變化，從而測(cè)得作用力的大小，如壓電式、磁彈性式和振弦式等力傳感 器;另一種是利用被測(cè)力使測(cè)力彈性體變形，通過(guò)測(cè)量變形的程度來(lái)測(cè)出被測(cè)力的大小，如 電阻應(yīng)變式、電容式等力傳感器。然而，目前所有這些測(cè)力裝置存在著以下缺點(diǎn)：采用的傳 感器大多價(jià)格高昂，制造成本和維護(hù)成本都比較高。成本稍低的測(cè)力裝置卻容易受到干擾， 例如強(qiáng)電磁干擾、溫度影響、不能適應(yīng)多種應(yīng)用環(huán)境等等。而且大多數(shù)低成本測(cè)力裝置只能 測(cè)出特定方向的力的大小，而多軸力傳感器成本較高且原理復(fù)雜。
[0003] 近些年來(lái)產(chǎn)生了諸多與此相關(guān)的論文和專利。分別如下：
[0004] 中國(guó)公開(kāi)專利號(hào):CN 103353365A，名稱:一種點(diǎn)接觸柱銷式測(cè)力傳感器。該實(shí)用新 型在銷體軸向上依次布置三個(gè)鼓形凸臺(tái)，并在它們之間布置電阻應(yīng)變器，進(jìn)而測(cè)量力。該實(shí) 用新型能夠測(cè)量不同方向的力，測(cè)量結(jié)果重復(fù)讀好、精度高、適用于大載荷。但需要布置多 個(gè)電阻應(yīng)變器，制造成本及維護(hù)成本高，且易受電磁干擾。
[0005] 中國(guó)公開(kāi)專利號(hào)：CN1514216A，名稱：一種光電振弦式測(cè)力裝置及其測(cè)力方法。該 實(shí)用新型依據(jù)不同作用力下金屬弦振動(dòng)頻率的不同，通過(guò)激光及光電位敏器件把金屬弦的 振動(dòng)頻率轉(zhuǎn)化為光電頻率，從而測(cè)出加載力的大小。該實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于可以避免電磁 感應(yīng)法易受測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁干擾帶來(lái)的噪聲，有一定穩(wěn)定性。但該實(shí)用新型對(duì)制造精度 要求高、元件成本高、維護(hù)成本高、且不能測(cè)量力的方向。
[0006] 中國(guó)公開(kāi)專利號(hào):CN103134621A，名稱:H型測(cè)力構(gòu)架的橫向載荷測(cè)試結(jié)構(gòu)。該實(shí)用 新型設(shè)置了一種H型結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量載荷的大小。該實(shí)用新型不僅可以得到施加于構(gòu)架結(jié)構(gòu)的 載荷與輸出電壓的關(guān)系，同時(shí)得到施加于構(gòu)架結(jié)構(gòu)的載荷與構(gòu)架結(jié)構(gòu)疲勞損傷關(guān)鍵部位應(yīng) 變的準(zhǔn)靜態(tài)關(guān)系。但該實(shí)用新型也未能實(shí)現(xiàn)測(cè)出力的方向，抗電磁干擾性能也較弱。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于圖像識(shí)別的力 測(cè)量裝置，該力測(cè)量裝置克服了制造和維護(hù)成本較高、未能測(cè)量力的方向、抗干擾性能差等 問(wèn)題，能夠準(zhǔn)確測(cè)量力的大小和方向，具有較好的抗干擾性能，也能適應(yīng)各種使用環(huán)境。
[0008] 本實(shí)用新型的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置，所 述力測(cè)量裝置的硬件部分包括測(cè)力彈性體、連接筒、雙目攝像頭、圖像識(shí)別處理器等。其中， 所述測(cè)力彈性體位于連接筒一端，未受力時(shí)呈現(xiàn)半球狀，測(cè)力彈性體材料可根據(jù)使用環(huán)境 靈活選擇，具多環(huán)境適應(yīng)性;所述雙目攝像頭，固定于連接筒的另一端;所述圖像識(shí)別處理 器，用于實(shí)時(shí)接收并處理雙目攝像頭所攝取的圖像，得出外力的大小和方向。
[0009] 所述的基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置包括以下組件：
[0010]測(cè)力彈性體:位于連接筒頂端，未受力時(shí)呈現(xiàn)半球形。其表面按照一定規(guī)則涂有均 勻的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，用于定位及識(shí)別。當(dāng)有外力施加在其身上時(shí)，將產(chǎn)生凹陷形變，形變量與外力 的大小可以看成滿足分區(qū)間的胡克定律，因此可以依據(jù)形變量計(jì)算出外力大小。形變方向 與外力一致，因此可以計(jì)算外力方向。測(cè)力彈性體材料的選材，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行選 擇，例如高溫環(huán)境下，可選擇耐高溫的彈性材料；酸性環(huán)境下，可選擇耐酸的彈性材料。因 此，本實(shí)用新型對(duì)應(yīng)用環(huán)境有很強(qiáng)適應(yīng)性。使用一段時(shí)間后進(jìn)行維護(hù)時(shí)，只需更換彈性材料 即可，因此維護(hù)成本極低。
[0011]雙目攝像頭：固定于連接筒另一端，可以實(shí)時(shí)攝取彈性材料的狀態(tài)圖像，并傳送到 圖像識(shí)別處理器。在處理器中可以得出彈性材料的3D圖像模型，分析出彈性材料的形變情 況，進(jìn)而計(jì)算出外力的大小和方向。由于本實(shí)用新型是通過(guò)圖像處理來(lái)計(jì)算外力，所以電磁 干擾對(duì)此裝置幾乎沒(méi)有影響。
[0012] 連接筒:連接筒用于連接和固定彈性材料和雙目攝像頭，連接筒中安裝有LED燈， 用于雙目攝像頭攝像補(bǔ)光。同時(shí)，連接筒給彈性材料和雙目攝像頭提供一個(gè)密閉空間，使本 實(shí)用新型的基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置具有很強(qiáng)的抗干擾性及環(huán)境適應(yīng)性，可用于水下 等環(huán)境的測(cè)力。
[0013] 圖像處理系統(tǒng)：圖像處理系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際使用需求選擇適當(dāng)?shù)奶幚砥鳎糜趯?shí)時(shí) 接收并處理雙目攝像頭攝取的雙目視覺(jué)圖像，并進(jìn)一步運(yùn)算出力的大小和方向：首先進(jìn)行 相機(jī)參數(shù)標(biāo)定，標(biāo)定完成后從左右相機(jī)分別找到測(cè)力彈性體上的特征點(diǎn)，通過(guò)之前標(biāo)定好 的參數(shù)，計(jì)算出該特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。然后，根據(jù)測(cè)力彈性體上各標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，我們 可建立當(dāng)前測(cè)力彈性體的3D圖像模型，分析出測(cè)力彈性體的形變情況，再依據(jù)測(cè)力彈性體 形變與受力的關(guān)系，便可計(jì)算出待測(cè)力的大小和方向。
[0014] 本實(shí)用新型的原理:本實(shí)用新型基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置中的測(cè)力彈性體受力 時(shí)產(chǎn)生形變，從而引起其表面標(biāo)識(shí)點(diǎn)空間坐標(biāo)發(fā)生改變;利用雙目攝像頭的雙目視覺(jué)可以 測(cè)量出這種三維變化量，再用圖像處理的方式運(yùn)算出外力大小和方向。本實(shí)用新型引入圖 像處理的新穎方式，使用簡(jiǎn)單的原理實(shí)現(xiàn)了力測(cè)量裝置的簡(jiǎn)單化、低成本化，并且具有良好 的抗干擾性、環(huán)境適應(yīng)性。
[0015] 本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：
[0016] 1、本實(shí)用新型能夠提供一種低制造成本和低維護(hù)成本的測(cè)力裝置。
[0017] 2、本實(shí)用新型利用簡(jiǎn)單的原理，便可實(shí)現(xiàn)既測(cè)出力的大小，又測(cè)出力的方向。
[0018] 3、本實(shí)用新型把圖像處理很好地應(yīng)用于力測(cè)量領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展、改進(jìn)和應(yīng) 用前景。
[0019] 4、本實(shí)用新型所述測(cè)力裝置具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能有效抵抗電磁等干擾。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本實(shí)用新型所述一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置圖像。
[0021] 圖2為本實(shí)用新型所述測(cè)力彈性體示意圖。
[0022]圖3a為本實(shí)用新型雙目攝像頭的俯視圖。
[0023]圖3b為本實(shí)用新型雙目攝像頭的剖視圖。
[0024]圖4為雙目攝像頭測(cè)量深度原理示意圖。
[0025] 圖5為本實(shí)用新型測(cè)力方案流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施 方式不限于此。
[0027]實(shí)施例
[0028]如圖1所示，本實(shí)施例所述的基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置，主要包括測(cè)力彈性體1、 連接筒2、雙目攝像頭3、圖像識(shí)別處理器，如圖2所示，所述測(cè)力彈性體位于連接筒一端，未 受力時(shí)呈現(xiàn)半球狀，測(cè)力彈性體材料可根據(jù)使用環(huán)境靈活選擇，具多環(huán)境適應(yīng)性;如圖3a和 圖3b所示，所述雙目攝像頭，固定于連接筒的另一端;所述圖像識(shí)別處理器，用于實(shí)時(shí)接收 并處理雙目攝像頭所攝取的圖像，得出外力的大小和方向。
[0029] 所述的一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置包括以下各功能組件：
[0030] 測(cè)力彈性體:位于連接筒頂端，未受力時(shí)呈現(xiàn)半球形。其表面按照一定規(guī)則涂有均 勻的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，用于定位及識(shí)別。當(dāng)有外力施加在其身上時(shí)，將產(chǎn)生凹陷形變，形變量與外力 的大小可以看成滿足分區(qū)間的胡克定律，因此可以依據(jù)形變量計(jì)算出外力大小。形變方向 與外力一致，因此可以計(jì)算外力方向。測(cè)力彈性體材料的選材，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行選 擇，例如高溫環(huán)境下，可選擇耐高溫的彈性材料；酸性環(huán)境下，可選擇耐酸的彈性材料。因 此，本實(shí)用新型對(duì)應(yīng)用環(huán)境有很強(qiáng)適應(yīng)性。使用一段時(shí)間后進(jìn)行維護(hù)時(shí)，只需更換彈性材料 即可，因此維護(hù)成本極低。
[0031] 雙目攝像頭：固定于連接筒另一端，可以實(shí)時(shí)攝取彈性材料的狀態(tài)圖像，并傳送到 圖像識(shí)別處理器。在處理器中可以得出彈性材料的3D圖像模型，分析出彈性材料的形變情 況，進(jìn)而計(jì)算出外力的大小和方向。由于本實(shí)用新型是通過(guò)圖像處理來(lái)計(jì)算外力，所以電磁 干擾對(duì)此裝置幾乎沒(méi)有影響。
[0032] 連接筒:連接筒用于連接和固定彈性材料和雙目攝像頭，連接筒中安裝有LED燈， 用于雙目攝像頭攝像補(bǔ)光。同時(shí)，連接筒給彈性材料和雙目攝像頭提供一個(gè)密閉空間，可以 使該裝置更加具有抗干擾性及環(huán)境適應(yīng)性，可用于水下等環(huán)境的測(cè)力。
[0033]圖像處理系統(tǒng)：圖像處理系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際使用需求選擇適當(dāng)?shù)奶幚砥?，用于?shí)時(shí) 接收并處理雙目攝像頭攝取的雙目視覺(jué)圖像，并進(jìn)一步運(yùn)算出力的大小和方向：首先進(jìn)行 相機(jī)參數(shù)標(biāo)定，標(biāo)定完成后從左右相機(jī)分別找到測(cè)力彈性體上的特征點(diǎn)，通過(guò)之前標(biāo)定好 的參數(shù)，計(jì)算出該特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。然后，根據(jù)測(cè)力彈性體上各標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，我們 可建立當(dāng)前測(cè)力彈性體的3D圖像模型，分析出測(cè)力彈性體的形變情況，再依據(jù)測(cè)力彈性體 形變與受力的關(guān)系，便可計(jì)算出待測(cè)力的大小和方向。
[0034] 所述的一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置，如圖4所示，利用三角形相似的關(guān)系，可 推導(dǎo)出雙目攝像頭測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)深度的公式如下：
[0035]
[0036]式中，Z代表稱志點(diǎn)距離攝像頭的深度，f代表攝像頭的焦距，T為雙攝像頭中心距 離，d代表標(biāo)志點(diǎn)在左右兩幅視圖上成像的橫向坐標(biāo)的視差。
[0037]如圖5所示，所述的一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置，測(cè)量外力大小的測(cè)量過(guò)程如 下(假設(shè)施力物體與測(cè)力彈性體的接觸為點(diǎn)接觸）：
[0038] 首先，利用高精度測(cè)力裝置，對(duì)測(cè)力彈性體上各標(biāo)識(shí)點(diǎn)各自建立一個(gè)二維表格，表 格內(nèi)容為該標(biāo)識(shí)點(diǎn)在不同區(qū)間內(nèi)的勁度系數(shù)。可按照如下公式測(cè)出各標(biāo)識(shí)點(diǎn)在不同位移區(qū) 間內(nèi)的勁度系數(shù)K:
[0039] K(x，x+Ax)=F(x+Ax)/(x+Ax)，
[0040] 其中，X是測(cè)力彈性體位移，Δ X為區(qū)間間隔，F(xiàn)(x+ Δ X)為測(cè)力彈性體在位移為X+ Δ X處的應(yīng)力大小。只要選取適當(dāng)?shù)膮^(qū)間間隔Δχ，我們可以近似認(rèn)為在區(qū)間（Χ，Χ+Δ Χ)內(nèi)，測(cè) 力彈性體的勁度系數(shù)恒定，因此K(x，x+ △ X)就是測(cè)力彈性體在區(qū)間（x，x+ △ X)內(nèi)的勁度系 數(shù)。用以上方法測(cè)出每個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)在各個(gè)位移區(qū)間內(nèi)的勁度系數(shù)，記錄進(jìn)表格里，存儲(chǔ)進(jìn)圖像 處理系統(tǒng)的儲(chǔ)存空間中供以后查閱使用。
[0041 ]測(cè)力彈性體在測(cè)力時(shí)，外力將使測(cè)力彈性體產(chǎn)生形變。利用雙目攝像頭可以得到 測(cè)力彈性體上各標(biāo)識(shí)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。我們選取凹陷處的最低點(diǎn)作為受力點(diǎn)，然后算出受力 點(diǎn)的位移值。并根據(jù)位移值在上一步驟中建立的表格中查得該區(qū)間內(nèi)的勁度系數(shù)，進(jìn)而根 據(jù)公式F=KX X，算得外力的大小。
[0042]如圖4所示，所述的一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置，測(cè)量外力方向的原理如下： [0043]測(cè)力彈性體在測(cè)力時(shí)，外力將使測(cè)力彈性體產(chǎn)生形變。利用雙目攝像頭可以得到 測(cè)力彈性體上各標(biāo)識(shí)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。我們選取凹陷處的最低點(diǎn)作為受力點(diǎn)。
[0044]受力點(diǎn)當(dāng)前位置與不受力時(shí)該標(biāo)識(shí)點(diǎn)的位置的連線即是力的方向。
[0045]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述 實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替 代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于圖像識(shí)別的力測(cè)量裝置，其特征在于，包括:測(cè)力彈性體、連接筒、雙目攝像 頭和圖像識(shí)別處理器;所述測(cè)力彈性體位于連接筒的一端，所述測(cè)力彈性體在未受力時(shí)呈 半球狀;所述雙目攝像頭固定于連接筒的另一端;所述圖像識(shí)別處理器用于實(shí)時(shí)接收并處 理雙目攝像頭所攝取的圖像，并得出外力的大小和方向； 所述測(cè)力彈性體的表面涂有均勻的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)用于定位及識(shí)別；當(dāng)有外力施 加在其身上時(shí)產(chǎn)生凹陷形變，所述凹陷形變的形變量與外力的大小視為滿足分區(qū)間的胡克 定律，依據(jù)形變量計(jì)算出外力大小;所述凹陷形變的形變方向即為外力方向；所述測(cè)力彈性 體的材料根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)選擇； 所述雙目攝像頭實(shí)時(shí)攝取彈性材料的狀態(tài)圖像，并傳送到圖像識(shí)別處理器;在圖像識(shí) 別處理器中得出彈性材料的3D圖像模型，分析出彈性材料的形變情況，根據(jù)分析出的形變 情況計(jì)算出外力的大小和方向； 所述連接筒用于固定彈性材料和雙目攝像頭，連接筒中安裝有LED燈，所述LED燈用于 雙目攝像頭攝像補(bǔ)光;同時(shí)，連接筒給彈性材料和雙目攝像頭提供一個(gè)密閉空間； 所述圖像識(shí)別處理器根據(jù)實(shí)時(shí)接收并處理雙目攝像頭攝取的雙目視覺(jué)圖像，運(yùn)算出外 力的大小和方向。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK205426389SQ201520977936
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2015年11月30日
【發(fā)明人】楊辰光, 吳懷煒, 梁培棟, 李智軍, 黃東風(fēng)
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)